JP7045468B2 - 基板処理方法および基板処理装置 - Google Patents

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Description

本開示の例示的実施形態は、基板処理方法および基板処理装置に関するものである。
半導体を製造するプロセスは、ウエハ（基板）の表面にエッチング用のレジストパターンを形成する工程を有する。レジストパターンは、基板の表面に形成されたレジスト膜を露光および現像することで形成される。
特許文献１では、レジスト膜の直下に金属酸化物を含むマスク材溶液を塗布し、加熱することによりマスク材を形成した後、マスク材上にレジスト膜を形成しレジストパターンを形成することが示されている。
特開２００１－２７２７８６号公報
本開示の例示的実施形態は、レジストパターンの線幅に係る均一性の向上が図られた基板処理方法および基板処理装置を提供する。
一つの例示的実施形態に係る基板処理方法は、レジストより下方の膜用の金属含有液が塗布された基板に対する基板処理方法であって、前記金属含有液が塗布された前記基板に対する加熱処理を行う加熱処理工程の前に、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進工程と、前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去工程と、前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿工程と、を有する。
一つの例示的実施形態によれば、レジストパターンの線幅に係る均一性の向上が図られた基板処理方法および基板処理装置を提供することができる。
図１は、一つの例示的実施形態に係る基板処理システムを示す斜視図である。 図２は、一つの例示的実施形態に係る基板処理システムの内部構成を示す模式図である。 図３は、基板処理システムの主要部を示すブロック図である。 図４は、制御装置のハードウェア構成を示す概略図である。 図５は、一つの例示的実施形態に係る基板処理方法を説明するフロー図である。 図６は、変形例に係る基板処理方法を説明するフロー図である。 図７は、変形例に係る基板処理システムの処理モジュールの概略図である。 図８（Ａ），図８（Ｂ），図８（Ｃ）および図８（Ｄ）は、比較例および実施例に係る基板のレジストパターンの線幅の評価結果を示す図である。 図９（Ａ），図９（Ｂ），図９（Ｃ）および図９（Ｄ）は、比較例および実施例に係る基板のメタルハードマスクの膜厚の評価結果を示す図である。
以下、種々の例示的実施形態について説明する。
一つの例示的実施形態において、基板処理方法は、レジストより下方の膜用の金属含有液が塗布された基板に対する基板処理方法であって、前記金属含有液が塗布された前記基板に対する加熱処理を行う加熱処理工程の前に、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進工程と、前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去工程と、前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿工程と、を有する。
上記の基板処理方法では、金属含有液が塗布された基板に対する加熱処理工程の前に、膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進工程と、金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去工程と、基板の表面と水分とを接触させる吸湿工程と、が行われる。このような工程を経た後に加熱処理工程を行って、レジストより下方の金属含有液による膜を形成することで、当該膜の特性が向上し、当該膜の上方に設けられるレジスト膜におけるレジストパターンの線幅に係る均一性が向上する。
別の例示的実施形態において、前記脱保護促進工程は、前記基板に対して紫外線を照射する工程であって、前記溶剤除去工程は、前記基板を乾燥する工程である。
脱保護促進工程として基板に対して紫外線を照射し、溶剤除去工程として基板を乾燥する工程を行うことで、金属含有液により形成される膜の特性がより向上し、当該膜の上方に設けられるレジスト膜におけるレジストパターンの線幅に係る均一性が向上する。
別の例示的実施形態において、前記吸湿工程は、前記溶剤除去工程よりも後に行われる。
吸湿工程が溶剤除去工程よりも後に行われることで、溶剤が除去された金属含有液に含まれる膜の材料と水分との接触が促進される。そのため、膜の材料における水分を利用した反応を促進することができ、レジスト膜におけるレジストパターンの線幅に係る均一性の向上効果が高められる。
別の例示的実施形態において、前記吸湿工程は、前記脱保護促進工程および前記溶剤除去工程よりも後に行われる。
吸湿工程を脱保護促進工程および溶剤除去工程よりも後に行うことで、吸湿工程で膜の材料の周囲に存在した水分が乾燥して減少することを防いだ状態で加熱処理工程を行うことができるため、膜の材料における水分を利用した反応を促進する効果が高められる。
別の例示的実施形態において、前記溶剤除去工程は、前記脱保護促進工程よりも後に行われる。
溶剤除去工程を脱保護促進工程よりも後に行うことで、溶剤除去工程と加熱処理工程との間の経過時間を短くすることができる。そのため、溶剤を含む金属含有液の種類によって溶剤除去工程および加熱処理工程において必要な加熱温度が変化した場合であっても、溶剤除去工程および加熱処理工程を適切に行うことができる。
別の例示的実施形態において、前記脱保護促進工程は、前記溶剤除去工程よりも後に行われる。
脱保護促進工程を溶剤除去工程よりも後に行うことで、金属含有液から溶剤をある程度除去した後に、脱保護促進工程を行うことになる。したがって、基板上に塗布された金属含有液における溶剤の割合を低減した状態で脱保護促進工程を行うことができるため、脱保護促進工程を行う装置に溶剤が付着することを防ぐことができるため、メンテナンス頻度を抑制することができる。
別の例示的実施形態において、前記脱保護促進工程を低酸素雰囲気下で行う。
脱保護促進工程を低酸素雰囲気下で行うことで、脱保護促進工程時に雰囲気中に含まれる酸素が官能基の脱保護に対して影響を与えることを防ぐことができる。
一つの例示的実施形態において、基板処理装置は、レジストより下方の膜用の金属含有液を基板に塗布する液処理部と、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進部と、前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去部と、前記金属含有液が塗布された前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿処理部と、前記脱保護促進部、前記溶剤除去部、および、前記吸湿処理部による処理後の前記基板に対して加熱処理を行う加熱処理部と、を有する。
上記の基板処理装置によれば、加熱処理部による加熱処理の前に、脱保護促進部による膜用の材料における官能基の脱保護の促進と、溶剤除去部による金属含有液に含まれる溶剤の除去と、吸湿処理部による基板の表面と水分とを接触と吸湿処理と、が行われる。このような手順によりレジストより下方の金属含有液による膜を形成することで、当該膜の特性が向上し、当該膜の上方に設けられるレジスト膜におけるレジストパターンの線幅に係る均一性が向上する。
別の例示的実施形態において、前記脱保護促進部、前記溶剤除去部、前記吸湿処理部、および前記加熱処理部が同一の処理モジュールにより構成され、前記処理モジュール内において、前記溶剤除去部、前記吸湿処理部、および前記加熱処理部が、同一の処理室内に設けられ、前記溶剤除去部および前記加熱処理部として同一の加熱機構が用いられる。
脱保護促進部、溶剤除去部、吸湿処理部、および加熱処理部が同一の処理モジュールにより構成されることで、金属含有液を用いた膜の形成に係る処理を同一の処理モジュールで実施することができるため、装置内での基板の移動を減らすことができる。また、溶剤除去部、吸湿処理部、および加熱処理部が、同一の処理室内に設けられることで、各部により行われる操作の際に発生する溶剤雰囲気や水分等が他の処理室の他の部品等に飛散することを防ぐことができる。さらに、溶剤除去部および加熱処理部として同一の加熱機構を用いることで、より簡便な装置の一連の処理を行うことができる。
以下、図面を参照して種々の例示的実施形態について詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
［基板処理システム］
基板処理システム１は、基板に対し、感光性被膜の形成、当該感光性被膜の露光、および当該感光性被膜の現像を施すシステムである。処理対象の基板は、例えば半導体のウエハＷである。感光性被膜は、例えばレジスト膜である。基板処理システム１は、塗布・現像装置２と露光装置３とを備える。露光装置３は、ウエハＷ（基板）上に形成されたレジスト膜（感光性被膜）の露光処理を行う。具体的には、液浸露光等の方法によりレジスト膜の露光対象部分にエネルギー線を照射する。塗布・現像装置２は、露光装置３による露光処理の前に、ウエハＷ（基板）の表面にレジスト膜を形成する処理を行い、露光処理後にレジスト膜の現像処理を行う。
［基板処理装置］
以下、基板処理装置の一例として、塗布・現像装置２の構成を説明する。図１および図２に示すように、塗布・現像装置２は、キャリアブロック４と、処理ブロック５と、インタフェースブロック６と、制御装置１００とを備える。
キャリアブロック４は、塗布・現像装置２内へのウエハＷの導入および塗布・現像装置２内からのウエハＷの導出を行う。例えばキャリアブロック４は、ウエハＷ用の複数のキャリアＣを支持可能であり、受け渡しアームＡ１を内蔵している。キャリアＣは、例えば円形の複数枚のウエハＷを収容する。受け渡しアームＡ１は、キャリアＣからウエハＷを取り出して処理ブロック５に渡し、処理ブロック５からウエハＷを受け取ってキャリアＣ内に戻す。
処理ブロック５は、複数の処理モジュール１１，１２，１３，１４を有する。処理モジュール１１は、液処理ユニットＵ１と、熱処理ユニットＵ２と、光照射ユニットＵ３と、これらのユニットにウエハＷを搬送する搬送アームＡ３とを内蔵している。また、処理モジュール１２，１３は、液処理ユニットＵ１と、熱処理ユニットＵ２と、これらのユニットにウエハＷを搬送する搬送アームＡ３とを内蔵している。
処理モジュール１１は、液処理ユニットＵ１、熱処理ユニットＵ２、および、光照射ユニットＵ３によりウエハＷの表面上の下層膜、および、下層膜上の中間膜を形成する。処理モジュール１１の液処理ユニットＵ１は、下層膜および中間膜を形成するための処理液をウエハＷ上に塗布する。処理モジュール１１の熱処理ユニットＵ２は、下層膜および中間膜の形成に伴う各種熱処理を行う。処理モジュール１１の光照射ユニットＵ３は、下層膜の形成時にウエハＷ上に光（紫外線）の照射を行う。処理モジュール１１による処理の詳細は後述する。下層膜としては、例えば、反射防止（ＳｉＡＲＣ）膜が挙げられる。また、中間膜としては、例えば、ＳＯＣ（Spin On Carbon）膜、金属を含有するハードマスク（メタルハードマスク）が挙げられる。本実施形態では、レジスト膜の直下に設けられる中間膜として上記のメタルハードマスクを形成する場合について説明する。なお、下層膜は省略してもよい。メタルハードマスクとしては、ＴｉＮ膜のほか、複数の金属材料を組み合わせた合金膜等を用いることができる。本実施形態で説明するメタルハードマスクについては、材料は特に限定されない。
メタルハードマスクを形成する工程は概略以下の通りである。メタルハードマスクを構成する金属材料が溶媒中に混合された金属含有液をウエハＷ上に塗布し、塗布された金属含有液に対して加熱処理を行うことで、メタルハードマスクの材料を硬化させることで膜が形成される。本実施形態では、詳細は後述するが、メタルハードマスクを形成させる過程において、脱保護促進工程、溶剤除去工程、および、吸湿工程を行うことで、メタルハードマスクの特性を向上させる。
処理モジュール１１における液処理ユニットＵ１は、本実施形態に係る基板処理装置（塗布・現像装置２）における液処理部としての機能を有する。また、熱処理ユニットＵ２は、塗布・現像装置２における溶剤除去部としての機能を有する。さらに、光照射ユニットＵ３は、塗布・現像装置２における脱保護促進部としての機能を有する。
処理モジュール１２は、液処理ユニットＵ１および熱処理ユニットＵ２により中間膜上にレジスト膜を形成する。処理モジュール１２の液処理ユニットＵ１は、レジスト膜形成用の処理液を中間膜の上に塗布する。処理モジュール１２の熱処理ユニットＵ２は、レジスト膜の形成に伴う各種熱処理を行う。熱処理の具体例としては、塗布膜を硬化させてレジスト膜Ｒとするための加熱処理（ＰＡＢ：Pre Applied Bake）が挙げられる。
処理モジュール１３は、液処理ユニットＵ１および熱処理ユニットＵ２によりレジスト膜上に上層膜を形成する。処理モジュール１３の液処理ユニットＵ１は、上層膜形成用の液体をレジスト膜の上に塗布する。処理モジュール１３の熱処理ユニットＵ２は、上層膜の形成に伴う各種熱処理を行う。
処理モジュール１４は、現像ユニットＵ４と、熱処理ユニットＵ５と、これらのユニットにウエハＷを搬送する搬送アームＡ３とを内蔵している。処理モジュール１４は、現像ユニットＵ４および熱処理ユニットＵ５により、露光後のレジスト膜の現像処理を行う。現像ユニットＵ４は、露光済みのウエハＷの表面上に現像液を塗布した後、これをリンス液により洗い流すことで、レジスト膜の現像処理を行う。熱処理ユニットＵ５は、現像処理に伴う各種熱処理を行う。熱処理の具体例としては、現像処理前の加熱処理（ＰＥＢ：Post Exposure Bake）、現像処理後の加熱処理（ＰＢ：Post Bake）等が挙げられる。処理モジュール１４における現像ユニットＵ４は、本実施形態に係る基板処理装置としての塗布・現像装置２における吸湿処理部としての機能を有する。
なお、上記の吸湿処理部としての機能は、処理モジュール１４における現像ユニットＵ４とは異なるモジュールまたはユニット等で行われてもよい。吸湿処理部としての機能を有するモジュールとしては、例えば、図２に示す基板洗浄モジュール１５が挙げられる。基板洗浄モジュール１５は、液浸露光後の基板上に残る液滴除去（ＰＥＲ：Post Immersion Rinse）や現像前加熱処理における加熱むら低減のために、例えば純水を用いて洗浄処理を行うモジュールである。上記の基板洗浄モジュール１５のように、純水を用いた処理を行う他のモジュールまたはユニットを吸湿処理部として利用してもよい。
処理ブロック５内におけるキャリアブロック４側には棚ユニットＵ１０が設けられている。棚ユニットＵ１０は、上下方向に並ぶ複数のセルに区画されている。棚ユニットＵ１０の近傍には昇降アームＡ７が設けられている。昇降アームＡ７は、棚ユニットＵ１０のセル同士の間でウエハＷを昇降させる。
処理ブロック５内におけるインタフェースブロック６側には棚ユニットＵ１１が設けられている。棚ユニットＵ１１は、上下方向に並ぶ複数のセルに区画されている。上述の基板洗浄モジュール１５は、棚ユニットＵ１１の近傍に設けられる。
インタフェースブロック６は、露光装置３との間でウエハＷの受け渡しを行う。例えばインタフェースブロック６は、受け渡しアームＡ８を内蔵しており、露光装置３に接続される。受け渡しアームＡ８は、棚ユニットＵ１１に配置されたウエハＷを露光装置３に渡し、露光装置３からウエハＷを受け取って棚ユニットＵ１１に戻す。
制御装置１００は、例えば以下の手順で塗布・現像処理を実行するように塗布・現像装置２を制御する。まず制御装置１００は、キャリアＣ内のウエハＷを棚ユニットＵ１０に搬送するように受け渡しアームＡ１を制御し、このウエハＷを処理モジュール１１用のセルに配置するように昇降アームＡ７を制御する。
次に制御装置１００は、棚ユニットＵ１０のウエハＷを処理モジュール１１内の液処理ユニットＵ１、熱処理ユニットＵ２、および、光照射ユニットＵ３に搬送するように搬送アームＡ３を制御する。また、制御装置１００は、このウエハＷの表面上に下層膜を形成し、さらに、下層膜上に中間膜を形成するように、液処理ユニットＵ１、熱処理ユニットＵ２、および、光照射ユニットＵ３を制御する。その後制御装置１００は、下層膜および中間膜が形成されたウエハＷを棚ユニットＵ１０に戻すように搬送アームＡ３を制御し、このウエハＷを処理モジュール１２用のセルに配置するように昇降アームＡ７を制御する。なお、必要に応じて、制御装置１００は、ウエハＷを処理モジュール１４に対して移動させて、中間膜としてのメタルハードマスクの形成に必要な処理を行うことができる。
次に制御装置１００は、棚ユニットＵ１０のウエハＷを処理モジュール１２内の液処理ユニットＵ１および熱処理ユニットＵ２に搬送するように搬送アームＡ３を制御する。また、制御装置１００は、このウエハＷの表面に対してレジスト膜を形成するように液処理ユニットＵ１および熱処理ユニットＵ２を制御する。その後制御装置１００は、ウエハＷを棚ユニットＵ１０に戻すように搬送アームＡ３を制御し、このウエハＷを処理モジュール１３用のセルに配置するように昇降アームＡ７を制御する。
次に制御装置１００は、棚ユニットＵ１０のウエハＷを処理モジュール１３内の各ユニットに搬送するように搬送アームＡ３を制御する。また、制御装置１００は、このウエハＷのレジスト膜上に上層膜を形成するように液処理ユニットＵ１および熱処理ユニットＵ２を制御する。その後制御装置１００は、ウエハＷを棚ユニットＵ１１に搬送するように搬送アームＡ３を制御する。
次に制御装置１００は、棚ユニットＵ１１のウエハＷを露光装置３に送り出すように受け渡しアームＡ８を制御する。その後制御装置１００は、露光処理が施されたウエハＷを露光装置３から受け入れて、棚ユニットＵ１１における処理モジュール１４用のセルに配置するように受け渡しアームＡ８を制御する。
次に制御装置１００は、棚ユニットＵ１１のウエハＷを処理モジュール１４内の各ユニットに搬送するように搬送アームＡ３を制御し、このウエハＷのレジスト膜に現像処理を施すように現像ユニットＵ４および熱処理ユニットＵ５を制御する。その後制御装置１００は、ウエハＷを棚ユニットＵ１０に戻すように搬送アームＡ３を制御し、このウエハＷをキャリアＣ内に戻すように昇降アームＡ７および受け渡しアームＡ１を制御する。以上で塗布・現像処理が完了する。
なお、基板処理装置の具体的な構成は、以上に例示した塗布・現像装置２の構成に限られない。基板処理装置は、熱処理ユニットＵ２又は熱処理ユニットＵ５と、これを制御可能な制御装置１００とを備えていればどのようなものであってもよい。
［制御装置］
制御装置１００は、図３に示されるように、機能モジュールとして、読取部Ｍ１と、記憶部Ｍ２と、処理部Ｍ３と、指示部Ｍ４とを有する。これらの機能モジュールは、制御装置１００の機能を便宜上複数のモジュールに区切ったものに過ぎず、制御装置１００を構成するハードウェアがこのようなモジュールに分かれていることを必ずしも意味するものではない。各機能モジュールは、プログラムの実行により実現されるものに限られず、専用の電気回路（例えば論理回路）、又は、これを集積した集積回路（ＡＳＩＣ：Application Specific Integrated Circuit）により実現されるものであってもよい。
読取部Ｍ１は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体ＲＭからプログラムを読み取る。記録媒体ＲＭは、基板処理システム１の各部を動作させるためのプログラムを記録している。記録媒体ＲＭとしては、例えば、半導体メモリ、光記録ディスク、磁気記録ディスク、光磁気記録ディスクであってもよい。
記憶部Ｍ２は、種々のデータを記憶する。記憶部Ｍ２は、例えば、読取部Ｍ１において記録媒体ＲＭから読み出したプログラム、ウエハＷを処理する際の各種データ（いわゆる処理レシピ）、外部入力装置（図示せず）を介してオペレータから入力された設定データ等を記憶する。
処理部Ｍ３は、各種データを処理する。処理部Ｍ３は、例えば、記憶部Ｍ２に記憶されている各種データに基づいて、液処理ユニットＵ１、熱処理ユニットＵ２、光照射ユニットＵ３、現像ユニットＵ４、および、熱処理ユニットＵ５を動作させるための動作信号を生成する。
指示部Ｍ４は、処理部Ｍ３において生成された動作信号を各種装置に送信する。
制御装置１００のハードウェアは、例えば一つ又は複数の制御用のコンピュータにより構成される。例えば制御装置１００は、図４に示す回路１２０を有する。回路１２０は、一つ又は複数のプロセッサ１２１と、メモリ１２２と、ストレージ１２３と、入出力ポート１２４と、タイマー１２５とを有する。ストレージ１２３は、例えばハードディスク等、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を有する。記憶媒体は、後述の基板処理手順を塗布・現像装置２に実行させるためのプログラムを記憶している。記憶媒体は、不揮発性の半導体メモリ、磁気ディスクおよび光ディスク等の取り出し可能な媒体であってもよい。メモリ１２２は、ストレージ１２３の記憶媒体からロードしたプログラムおよびプロセッサ１２１による演算結果を一時的に記憶する。プロセッサ１２１は、メモリ１２２と協働して上記プログラムを実行することで、上述した各機能モジュールを構成する。入出力ポート１２４は、プロセッサ１２１からの指令に従って、基板処理システム１の各部との間で電気信号の入出力を行う。タイマー１２５は、例えば一定周期の基準パルスをカウントすることで経過時間を計測する。
制御装置１００は、上記の構成により、基板処理システム１に含まれる液処理ユニットＵ１、熱処理ユニットＵ２、光照射ユニットＵ３、現像ユニットＵ４、および、熱処理ユニットＵ５等を制御する。また、制御装置１００は、図３において図示しない他のユニットの制御も同時に行う。なお、上記の制御装置１００の構成は一例であって、上記に限定されるものではない。
［基板処理方法］
続いて、基板処理方法の一例として、塗布・現像装置２によるレジスト膜直下の中間膜であるメタルハードマスクの形成手順を説明する。メタルハードマスクの形成に係る手順は、図５に示すように、金属含有液塗布工程（Ｓ０１）、脱保護促進工程（Ｓ０２）、溶剤除去工程（Ｓ０３）、吸湿工程（Ｓ０４）、および、加熱処理工程（Ｓ０５）を含む。各工程は、制御装置１００が塗布・現像装置２を構成する各ユニットを制御することにより実施される。
金属含有液塗布工程（Ｓ０１）は、ウエハＷの表面の下層膜上に金属含有液を塗布する工程である。金属含有液とは、金属を含有するハードマスク（メタルハードマスク）の材料（メタルハードマスク材料）が溶剤中に溶解されている液体である。この金属含有液をウエハＷの下層膜上に塗布することで、メタルハードマスク材料がウエハＷ表面に塗布されることになる。金属含有液塗布工程（Ｓ０１）は、処理モジュール１１の液処理ユニットＵ１を利用して行うことができる。
脱保護促進工程（Ｓ０２）は、金属含有液に含まれるメタルハードマスク材料における官能基の脱保護を促進する工程である。具体的には、塗布された金属含有液に対して紫外線を照射することで、メタルハードマスク材料における官能基の脱保護が促進される。金属含有液に対する紫外線の照射による脱保護促進工程（Ｓ０２）は、処理モジュール１１の光照射ユニットＵ３を利用して行うことができる。金属含有液に対する紫外線の照射量は、メタルハードマスク材料における官能基の脱保護が促進される範囲で特に限定されない。一例として、１８０ｍＪ／ｃｍ２～８００ｍＪ／ｃｍ２程度の光を金属含有液に対して照射することで、メタルハードマスク材料における官能基の脱保護を促進することが可能となる。なお、紫外線を出射する光源としては、例えば、混合ガスを用いたエキシマレーザー等を用いることができるが、光源の種類は適宜変更することができる。紫外線の波長は特に限定されないが、紫外線の波長を２００ｎｍ以下とすることで、脱保護をより適切に促進することができる。紫外線の波長として、例えば、１７２ｎｍ、１９３ｎｍ等の波長を有する光を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
脱保護促進工程（Ｓ０２）を行う環境は特に限定されないが、ウエハＷの周囲が低酸素雰囲気である構成とすることができる。ウエハＷの周囲を低酸素雰囲気とした状態で脱保護促進工程（Ｓ０２）を実施することで、紫外線の照射による官能基の脱保護の促進が効果的に行われる。なお、低酸素雰囲気とは、酸素の割合が３００ｐｐｍ以下である雰囲気をいう。また、低酸素雰囲気として、例えば、窒素雰囲気下で脱保護促進工程（Ｓ０２）を行う構成としてもよい。
溶剤除去工程（Ｓ０３）は、金属含有液に含まれる溶剤を乾燥により除去する工程である。具体的には、金属含有液が塗布されたウエハＷに対して所定の加熱処理を行うことで、溶剤の除去を促進する。溶剤除去工程（Ｓ０３）では、例えば、加熱温度１００℃～１７０℃として、３０秒～９０秒程度加熱を行うことで、ウエハＷの表面からの溶剤の除去を促進される。一例として、溶剤除去工程（Ｓ０３）において、ウエハＷを加熱温度１３０℃、加熱時間６０秒の条件で加熱を行うことが挙げられる。溶剤除去工程（Ｓ０３）における加熱温度としては、金属含有液に含まれる溶剤の揮発温度よりも高い温度が設定される。また、加熱時間は、加熱により金属含有液表面が溶剤の揮発温度よりも高められた状態で所定の時間維持ができる程度に設定される。なお、溶剤除去工程（Ｓ０３）は、処理モジュール１１の熱処理ユニットＵ２を利用して行うことができる。
なお、溶剤除去工程（Ｓ０３）として、所定の加熱処理を行うことに代えて、ウエハＷ周囲に所定の雰囲気による気体流を設けることで、溶媒の除去を促進する構成としてもよい。ウエハＷ周囲に所定の雰囲気による気体流を設けた場合でも、加熱処理を行う場合と同様に、溶剤の除去を促進することが可能となる。
吸湿工程（Ｓ０４）は、ウエハＷ表面の金属含有液に含まれるメタルハードマスク材料に対して水分を接触させて、メタルハードマスク材料の加水分解を促進する工程である。ウエハＷ表面のメタルハードマスク材料が水分と接触できればよく、その手順は特に限定されない。例えば、ウエハＷに対して水蒸気を吹き付けることにより吸湿工程（Ｓ０４）を行ってもよいし、例えば、水をウエハＷ表面に対して直接噴霧することにより吸湿工程（Ｓ０４）を行ってもよい。なお、吸湿工程（Ｓ０４）は、溶剤除去工程（Ｓ０３）よりも後に行われる態様とすることができる。溶剤除去工程（Ｓ０３）において、ウエハＷ表面からの溶剤の除去が行われた後に、吸湿工程（Ｓ０４）を行うことで、メタルハードマスク材料と水分との接触を促進することができ、吸湿効率を高めることができる。なお、吸湿工程（Ｓ０４）は、処理モジュール１４の現像ユニットＵ４におけるリンス液を洗い流す機構を利用して行うことができる。
加熱処理工程（Ｓ０５）は、金属含有液に含まれるメタルハードマスク材料を硬化させて、ウエハＷ上にメタルハードマスクを形成する工程である。この工程を経ることで、中間膜としてのメタルハードマスクが形成される。加熱処理工程（Ｓ０５）での加熱温度および加熱時間は、メタルハードマスクを形成する際に用いられる加熱温度および加熱時間が適用される。加熱処理工程（Ｓ０５）では、例えば、加熱温度２００℃～３００℃として、３０秒～９０秒程度加熱を行うことで、ウエハＷの表面のメタルハードマスクを形成する。なお、加熱処理工程（Ｓ０５）は、処理モジュール１１の熱処理ユニットＵ２を利用して行うことができる。
以上の手順により、ウエハＷ上に中間膜としてのメタルハードマスクが形成される。なお、メタルハードマスクの形成後は、直上にレジスト膜が形成される。
［作用］
上記実施形態で説明した基板処理方法および基板処理装置では、金属含有液を硬化させてメタルハードマスクを形成する加熱処理工程よりも前に、脱保護促進工程と、溶剤除去工程と、吸湿工程と、が行われる。上記の各工程を有することで、メタルハードマスクの膜厚および膜質の均一性を向上させることができ、基板におけるレジストパターンの線幅の均一性を向上させることができる。
半導体の製造プロセスにおいて、レジストパターンの精細化から、メタルハードマスクを使用する機会がある。しかしながら、メタルハードマスクを用いる場合のレジストパターンの線幅（ＣＤ：Critical Dimension／最小線幅）の均一性について改善の余地があった。これに対して、本実施形態で説明した基板処理方法では、加熱処理工程よりも前に、脱保護促進工程と、溶剤除去工程と、吸湿工程と、を行うことにより、メタルハードマスクの膜厚および膜質の均一性を向上させることができる。
この理由は必ずしも明らかではないが、上記の各工程が、メタルハードマスクを形成する段階でのメタルハードマスク材料の反応の進行を促進していると考えられる。メタルハードマスクは、メタルハードマスク材料の加水分解および脱水縮合を減ることで、膜を形成することが知られている。上記の工程のうち、溶剤除去工程および吸湿工程は、メタルハードマスク材料の周囲の溶剤を低減し、水分との接触を増やすことで、特に膜表面付近での加水分解を促進していると推測される。また、脱保護促進工程は、脱水縮合を促進していると推測される。このように、メタルハードマスクを形成する加熱処理工程よりも前に、脱保護促進工程と、溶剤除去工程と、吸湿工程と、を行うことで、メタルハードマスクの形成に係る反応が促進されると推測される。
また、メタルハードマスクを形成する加熱処理工程よりも前に行われる脱保護促進工程により、メタルハードマスクを形成する膜全体での脱水縮合反応が進行していると考えられる。メタルハードマスク材料を含む金属含有液に対して脱保護促進工程として紫外線を照射することで、膜中のメタルハードマスク材料における脱水縮合が（場所によらず）均一に進行する状態に変化すると考えられる。その結果、加熱処理後でのメタルハードマスク全体での膜質の均一性が向上すると考えられる。メタルハードマスクの形成時の膜質の均一性が向上することで、メタルハードマスクの膜厚の偏りも解消され、膜厚の均一性も向上すると考えられる。その結果、メタルハードマスクの上に形成されるレジスト膜におけるレジストパターンの線幅の均一性も向上すると考えられる。
なお、上記の作用を効果的に奏する構成として、吸湿工程は、脱保護促進工程および溶剤除去工程よりも後に行われる構成とすることができる。このような構成とすることで、吸湿工程によりメタルハードマスク材料と水分との接触が増大した環境を形成した後、時間が経過するとメタルハードマスク材料の周囲の水分が乾燥してしまう可能性がある。これに対して、吸湿工程の直後に加熱処理工程を行う構成とすることで、メタルハードマスク材料の周囲の水分が乾燥する前に加熱処理工程を行うことができ、加熱分解を促進した状態でメタルハードマスクを形成することが可能となる。なお、吸湿工程から加熱処理工程からへ速やかに移行する構成とすることで、上記の作用がより効果的に奏される。
また、溶剤除去工程および吸湿工程は、この順で連続的に行われる態様とすることができる。メタルハードマスク材料の周囲の溶剤の除去を促進した後に吸湿工程を設けることで、メタルハードマスク材料と水分との接触を増やすことができるため、メタルハードマスク材料の反応を促進することができる。
また、脱保護促進工程と、溶剤除去工程と、をこの順で行う構成とした場合、溶剤除去工程と加熱処理工程との間隔を短くすることができる。メタルハードマスク材料の種類によっては、溶剤除去工程および加熱処理工程において適用する温度が大きく変化する場合がある。その場合、メタルハードマスク材料の温度変化等が膜質に影響を与える可能性がある。溶剤除去工程および加熱処理工程の２つの加熱に係る工程をより近付けた状態とすることで、メタルハードマスク材料を含む金属含有液の種類によらずメタルハードマスクの形成を行うことが可能となる。
また、脱保護促進工程は、低酸素雰囲気とした状態で行うことができる。低酸素雰囲気下で脱保護促進工程を実施することで、例えば、酸素を多く含む雰囲気下で脱保護促進工程を行う場合と比較して、酸素による影響を低減することができる。特に、脱保護促進工程においてメタルハードマスク材料に対して紫外線を照射する場合に、酸素と紫外線が反応してオゾン等が生成されて、オゾンが官能基の脱保護に影響を与えることを防ぐことができる。
［変形例］
今回開示された実施形態および変形例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
メタルハードマスクの形成手順の変形例について説明する。図５で示したメタルハードマスクの形成手順は、適宜変更することができる。図５では、金属含有液塗布工程（Ｓ０１）、脱保護促進工程（Ｓ０２）、溶剤除去工程（Ｓ０３）、吸湿工程（Ｓ０４）、および、加熱処理工程（Ｓ０５）がこの順で行われる場合について説明した。ただし、メタルハードマスクの形成手順において、脱保護促進工程、溶剤除去工程、および、吸湿工程の順序は適宜変更することができる。また、可能な場合には、これらの工程の一部を同時に行ってもよい。
例えば、脱保護促進工程と溶剤除去工程とは同時に行うこともできる。また、図６に示すように、脱保護促進工程と溶剤除去工程との順序を変更し、金属含有液塗布工程（Ｓ０１）、溶剤除去工程（Ｓ０３）、脱保護促進工程（Ｓ０２）、吸湿工程（Ｓ０４）、および、加熱処理工程（Ｓ０５）がこの順で行われる構成としてもよい。溶剤除去工程（Ｓ０３）と脱保護促進工程（Ｓ０２）と、をこの順で行う構成とした場合、金属含有液から溶剤をある程度除去した後に、脱保護促進工程を行うことになる。したがって、ウエハＷ上に塗布された金属含有液における溶剤の割合を低減した状態で脱保護促進工程を行うことができる。その結果、脱保護促進工程を行うユニット（光照射ユニットＵ３）に溶剤が付着する可能性等を低減することができ、メンテナンス頻度を抑制することができる。上記のほかにも、例えば、溶剤除去工程（Ｓ０３）および吸湿工程（Ｓ０４）の順序を入れ替えてもよい。また、各工程を行う際の実施条件（パラメータ）等についても適宜変更することができる。
次に、上記実施形態で説明した基板処理方法を実施する装置の構成の変形例について説明する。上記実施形態で説明した基板処理方法は、上述の塗布・現像装置２を用いて実施することができる。ただし、上記実施形態では、複数の処理モジュールを利用してメタルハードマスクを形成する手順について説明したが、処理モジュールの構成を変更することで、各工程を同一の処理モジュールで行う構成としてもよい。
図７は、変形例に係る基板処理装置において、脱保護促進工程（Ｓ０２）、溶剤除去工程（Ｓ０３）、および、吸湿工程（Ｓ０４）を実施可能な処理モジュールの例である。図７に示す処理モジュール２０においては、ウエハＷに対する紫外線の照射により脱保護促進工程（Ｓ０２）が行われ、基板の乾燥により溶剤除去工程（Ｓ０３）が行われる場合について説明する。
図７に示す変形例に係る処理モジュール２０は、２つの処理室２１，２２に分割可能である。処理室２１は、加熱処理部としても機能する加熱機構３０が設けられる処理室である。加熱機構３０は、支持台３１と、熱板３２と、チャンバー（蓋体）３３と、支持ピン３４と、を有する。また、加熱機構３０は、支持台３１とチャンバー３３とを接続して内部を封止可能なようにリングシャッター３５を有する。支持台３１上に熱源となる熱板３２が収容されるが、支持ピン３４を利用してウエハＷを熱板３２から離間させて支持することにより、熱板３２からウエハＷが受ける熱を制御することができる。したがって、処理室２１の加熱機構３０は、ウエハＷに対する加熱温度を、溶剤除去工程での加熱温度および加熱処理工程での加熱温度の両方に制御することができる。
また、加熱機構３０のチャンバー３３には、配管３６を介して水蒸気を発生するバブラー３７が接続されている。バブラー３７からの水蒸気が配管３６を経て加熱機構３０のチャンバー３３内に供給可能とされているので、ウエハＷを熱板３２上に配置している場合、ウエハＷ表面に対して水蒸気を接触可能となるため、加熱機構３０内で吸湿工程を実施することも可能となる。このように、処理モジュール２０の処理室２１に設けられた加熱機構３０を利用することで、溶剤除去工程、吸湿工程を行うことができると共に、加熱処理工程も実施可能となっている。なお、加熱機構３０内に熱電対等を設け、熱電対において検出される温度情報等を利用して加熱機構３０を制御する構成としてもよい。
一方、処理室２２は、開閉可能なシャッター４１により処理室２１に対して区切られている。内部には、紫外線を出射する光源４２が設けられている。また、シャッター４１により区切られた処理室２２内にガスを供給するガス管４３が接続されていて、処理室２２内を所定の種類の雰囲気下とすることができる。また、処理室２２内に設けられたアーム４４を利用して、ウエハＷの冷却および移動が可能となっている。このように、処理モジュール２０の処理室２２に設けられた光源４２を利用して、脱保護促進工程を行うことができる。
上記の処理モジュール２０を利用すると、まず、金属含有液塗布工程の後の一連の処理について、処理室２１，２２間のウエハＷの移動のみで実施することができる。例えば、脱保護促進工程（Ｓ０２）、溶剤除去工程（Ｓ０３）、および、吸湿工程（Ｓ０４）をこの順で行う場合には、まず、処理室２２においてウエハＷに対して紫外線を照射して脱保護促進工程（Ｓ０２）を行う。その後、ウエハＷを処理室２１へ移動して、熱板３２による加熱を利用した溶剤除去工程（Ｓ０３）、および、バブラー３７からの水蒸気の供給を利用した吸湿工程（Ｓ０４）を連続して行うことができる。さらに、熱板３２による加熱温度を変更することで、加熱処理工程（Ｓ０５）を実施することもできる。
このように、処理モジュール２０によれば、メタルハードマスクの形成に係る一連の工程を同一の処理モジュールを利用して実施することができる。このような処理モジュール２０を利用して基板の処理を行うことで、処理モジュール間のウエハＷの移動を減らすことができるため、作業効率が向上する。また、溶剤除去部および加熱処理部として同一の加熱機構３０を用いる構成とすることで、処理モジュールまたは熱処理ユニットの追加等を防ぎながらメタルハードマスクの形成に係る一連の工程を行うことができる。
また、処理モジュール２０内において、溶剤除去部、吸湿処理部、および加熱処理部が、同一の処理室内に設けられることで、各部により行われる操作の際に発生する溶剤雰囲気や水分等が他の処理室の他の部品等に飛散することを防ぐことができる。
なお、上記の処理モジュール２０の構成は一例であり、処理モジュールの構成は適宜変更することができる。また、上記実施形態で説明したメタルハードマスクの形成に係る一連の工程を実施する処理モジュールの組み合わせについても、適宜変更することができる。
また、上記実施形態では、金属含有液を用いてレジスト膜の直下に設けられるメタルハードマスクを形成する場合について説明した。しかしながら、金属含有液を用いて形成される膜は、レジスト膜の下方に設けられていればよく、金属含有液を用いて形成される膜とレジスト膜との間に上記の２種類の膜とは異なる別の層が設けられていてもよい。
以下、実施例について説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
上記の実施形態に係る基板処理システム１を用いてレジストパターンを形成した場合に特性が改善していることを確認するため、以下の試験を行った。
（比較例１）
上記の実施形態に係る基板処理システム１を用いて、以下の手順で比較例１に係る基板を形成した。まずウエハＷ上にメタルハードマスク材料を含む金属含有液を塗布した後、加熱温度２５０℃として、６０秒間加熱を行い、メタルハードマスクを形成して（加熱処理工程）、比較例１に係る基板（レジスト膜形成前）を得た。その後、表面にレジスト膜を形成して、露光・現像を行ない、所定のレジストパターンを有する比較例１に係る基板を作成した。
（比較例２）
比較例１と同様に、まずウエハＷ上にメタルハードマスク材料を含む金属含有液を塗布した後、加熱温度１３０℃として、６０秒間加熱を行い、溶剤を除去した（溶剤除去工程）。次に、表面に対して水を１５秒間流して、表面と水とを接触させた（吸湿工程）。その後、加熱温度２５０℃として、６０秒間加熱を行い、メタルハードマスクを形成して（加熱処理工程）、比較例２に係る基板（レジスト膜形成前）を得た。その後、表面にレジスト膜を形成して、露光・現像を行ない、所定のレジストパターンを有する比較例２に係る基板を作成した。
（比較例３）
比較例１と同様に、まずウエハＷ上にメタルハードマスク材料を含む金属含有液を塗布した後、窒素雰囲気下において、波長：１７２ｎｍ、出力：８００ｍＪのエキシマレーザー光源を用いて、表面に対して紫外線を照射した（脱保護促進工程）。その後、加熱温度２５０℃として、６０秒間加熱を行い、メタルハードマスクを形成して（加熱処理工程）、比較例３に係る基板（レジスト膜形成前）を得た。その後、表面にレジスト膜を形成して、露光・現像を行ない、所定のレジストパターンを有する比較例３に係る基板を作成した。
（実施例１）
比較例１と同様に、まずウエハＷ上にメタルハードマスク材料を含む金属含有液を塗布した後、加熱温度１３０℃として、６０秒間加熱を行い、溶剤を除去した（溶剤除去工程）。次に、表面に対して水を１５秒間流して、表面と水とを接触させた（吸湿工程）。次に、窒素雰囲気下において、波長：１７２ｎｍ、出力：８００ｍＪのエキシマレーザー光源を用いて、基板表面に対して紫外線を照射した（脱保護促進工程）。その後、加熱温度２５０℃として、６０秒間加熱を行い、メタルハードマスクを形成して（加熱処理工程）、実施例１に係る基板（レジスト膜形成前）を得た。その後、表面にレジスト膜を形成して、露光・現像を行ない、所定のレジストパターンを有する実施例１に係る基板を作成した。
（評価結果－１）
比較例１～３および実施例１に係る基板（レジスト膜形成前）におけるメタルハードマスクの膜厚の均一性を評価した。各基板におけるメタルハードマスクの膜厚を分光エリプソメトリを用いて計測した。計測結果およびそのばらつき（ＦＴＵ：３σ）を図８に示す。図８（Ａ）が比較例１に係る結果であり、図８（Ｂ）が比較例２に係る結果であり、図８（Ｃ）が比較例３に係る結果であり、図８（Ｄ）が実施例１に係る結果である。
（評価結果－２）
比較例１～３および実施例１に係る基板におけるレジストパターンのホール径（ＣＤに対応）の均一性を評価した。各基板におけるレジストパターンをＣＤ－ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）で計測した。計測結果およびそのばらつき（ＣＤＵ：３σ）を図９に示す。図９（Ａ）が比較例１に係る結果であり、図９（Ｂ）が比較例２に係る結果であり、図９（Ｃ）が比較例３に係る結果であり、図９（Ｄ）が実施例１に係る結果である。
（評価結果－３）
比較例１および実施例１に係る基板（レジスト膜形成前）におけるメタルハードマスクの波長１９３ｎｍの光に対する屈折率を計測した。計測結果の平均およびばらつき（３σ）を表１に示す。
（評価結果－４）
比較例１および実施例１係る基板（レジスト膜形成前）表面での接触角を計測した。計測結果を表１に示す。比較例１と比較して実施例１において接触角が大きくなっていることから、メタルハードマスクの表面におけるＯＨ基が減少していることが推測される。
評価結果－３，４の結果から、比較例１と比較して実施例１では、屈折率およびそのばらつきが小さくなるとともに、接触角が大きくなっている。このことから、実施例１では、比較例１と比較して反応が促進されていると推測される。
Figure 0007045468000001
１…基板処理システム、２…塗布・現像装置（基板処理装置）、１１～１４，２０…処理モジュール、３０…加熱機構、１００…制御装置、Ｗ…ウエハ（基板）。

Claims (10)

  1. レジストより下方の膜用の金属含有液が塗布された基板に対する基板処理方法であって、
    前記金属含有液が塗布された前記基板に対する加熱処理を行う加熱処理工程の前に、
    前記レジストに対する露光処理を行う露光装置とは異なる光照射ユニットにおいて、前記基板に対して紫外線を照射することで、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進工程と、
    前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去工程と、
    前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿工程と、
    を有する、基板処理方法。
  2. レジストより下方の膜用の金属含有液が塗布された基板に対する基板処理方法であって、
    前記金属含有液が塗布された前記基板に対する加熱処理を行う加熱処理工程の前に、
    前記基板に対して紫外線を照射することで、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進工程と、
    前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去工程と、
    前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿工程と、
    を有し、
    前記脱保護促進工程は、前記溶剤除去工程よりも後に行われる、基板処理方法。
  3. レジストより下方の膜用の金属含有液が塗布された基板に対する基板処理方法であって、
    前記金属含有液が塗布された前記基板に対する加熱処理を行う加熱処理工程の前に、
    前記基板に対して紫外線を照射することで、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進工程と、
    前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去工程と、
    前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿工程と、
    を有し、
    前記脱保護促進工程を低酸素雰囲気下で行う、基板処理方法。
  4. 前記吸湿工程は、前記溶剤除去工程よりも後に行われる、請求項１～３のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  5. 前記吸湿工程は、前記脱保護促進工程および前記溶剤除去工程よりも後に行われる、請求項１～３のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  6. 前記溶剤除去工程は、前記脱保護促進工程よりも後に行われる、請求項１～３のいずれか一項に記載の基板処理方法。
  7. レジストより下方の膜用の金属含有液を基板に塗布する液処理部と、
    前記レジストに対する露光処理を行う露光装置とは異なる光照射ユニットにおいて、前記基板に対して紫外線を照射することで、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進部と、
    前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去部と、
    前記金属含有液が塗布された前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿処理部と、
    前記脱保護促進部、前記溶剤除去部、および、前記吸湿処理部による処理後の前記基板に対して加熱処理を行う加熱処理部と、
    を有する、基板処理装置。
  8. レジストより下方の膜用の金属含有液を基板に塗布する液処理部と、
    前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去部と、
    前記溶剤除去部による処理の後に、前記基板に対して紫外線を照射することで、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進部と、
    前記金属含有液が塗布された前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿処理部と、
    前記脱保護促進部、前記溶剤除去部、および、前記吸湿処理部による処理後の前記基板に対して加熱処理を行う加熱処理部と、
    を有する基板処理装置。
  9. レジストより下方の膜用の金属含有液を基板に塗布する液処理部と、
    低酸素雰囲気下において、前記基板に対して紫外線を照射することで、前記金属含有液が塗布された前記基板に含まれる前記膜用の材料における官能基の脱保護を促進する脱保護促進部と、
    前記基板の前記金属含有液に含まれる溶剤を除去する溶剤除去部と、
    前記金属含有液が塗布された前記基板の表面と水分とを接触させる吸湿処理部と、
    前記脱保護促進部、前記溶剤除去部、および、前記吸湿処理部による処理後の前記基板に対して加熱処理を行う加熱処理部と、
    を有する、基板処理装置。
  10. 前記脱保護促進部、前記溶剤除去部、前記吸湿処理部、および前記加熱処理部が同一の処理モジュールにより構成され、
    前記処理モジュール内において、
    前記溶剤除去部、前記吸湿処理部、および前記加熱処理部が、同一の処理室内に設けられ、
    前記溶剤除去部および前記加熱処理部として同一の加熱機構が用いられる、請求項７～９のいずれか一項に記載の基板処理装置。
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